（森林工程专业论文）基于草方格铺设机器人草与铁及橡胶摩擦实验的研究.pdf

摘要 摘要 论文的展开是通过对8 6 3 项目草方格铺设机器人样机供草系统的研究开始的，当计 算供草系统各项参数时，明确草与铁、草与橡胶的摩擦系数是研究进行的关键，而目前 国内外没有可参考的实验结果。本文旨在得出草与铁、草与橡胶的摩擦系数，所以对草 与铁、草与橡胶之间的摩擦进行了理论探讨及实验方法的研究，并用多元统计分析方法 对所得的实验数据分析，以验证草与铁、草与橡胶之间的摩擦理论和实验方法的可行 性。 本文主要从以下几个方面进行了研究与探讨。 首先，对草方格机器人样机的供草系统进行研究。分析了草方格机器人样机的供草 系统的各项参数，测定草与铁、草与橡胶的摩擦系数是供草系统设计中的重要环节。 其次，对草与铁、草与橡胶摩擦机理的研究。通过大量的分析草方格机器人样机的 实际工作和对古典的库仑定律和现代摩擦机理进一步研究，得出了草与铁、草与橡胶的 摩擦机理，为接下来摩擦实验的设计与测定方法的制定提供了理论依据。 最后，制定草与铁、草与橡胶摩擦实验设计与测定方法。针对草方格铺设机器人草 帘与铁，草帘与橡胶的摩擦要求，设计出计算机自动控制的测量方法，同时对传统的测 量方法进行了改良，用s p s s 软件对两种方法的实验数据进行定量的分析。经比较，计 算机自动控制测量方法优于改进的传统摩擦检测方法。 作者在论文中对草与铁、草与橡胶的摩擦实验进行了详细的介绍。其得出的草与 铁、草与橡胶的摩擦系数为目后的研究者提供一定的参考，同时在摩擦实验中的渐进加 载系统和断电急停系统也为其他材料的摩擦实验台的制作提供了参考。 关键词供草系统；输草参数；摩擦：摩擦系数：测量方法 a b s t r a c t t h et h e s i sb e g i n sf r o mi n v e s t i g a t i n ga n ds t u d y j n gt h es u p p l y i n g g r a s ss y s t e mo ft h e s t r a w c h e c k e r b o a r db a i e r sp a v i n gm b o to ft h e8 6 3p r o j e c t s a sc a l c u l a t i n ga l lt h ep a r a m e t e r s o f t h es u p p l y i n g g r a s ss y s t e m ，i h ed e a n i t ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o nb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a w a i l dn l b b e ri sf o u n dt ob et h ek e yo ft h er e s e a r c h h o w e v e r t h e r ei sn oe x p e r i m e n t a lr e s u i tt o b er e f e r e n c e da th o m ea n da b r o a d 1 h u st h ea i m o ft h et h e s i si st od r a wt h ec o e 硒c i e n to f 丘i c t i o nb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s i r a wa n dn l b b e r a n dt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r ec a r r i e do u to nt h ef r i c t i o nb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a wa n d 兀l b b e r a n de x p e r i m e n t a ld a t u ma r ea n a l y z e db yu s j n gm u l t i a n a l y s i sm e t h o di no r d e rt ov a l i d a t et h e f e a s i b n i t yo ft h ef r i c t i o nt h e o r ya n de x p e f i m e n t a lm e t h o d sb e t w e e ns t r a wa n dj r o n ，s t r a wa n d r u b b e rf r i c t i o n t h et h e s i sm a i n l yc o n c e r n ss e v e r a la s p e c t sa st h ef o l l o w j n g ： f i r s to fa l l ，t h es u p p l y j n g g m s ss y s t e mo ft h es t r a w c h e c k e r b o a r db a r r i e r sp a v i n gr o b o ti s i n v e s t i g a t e d a n da n a l y z e d n l r o u g hi n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n ga l lt h ep a r a m e t e f so ft h e s u p p l y i n g - 掣a s ss y s t e m ，t h ec o e 彤c j e n to f 衔c t i o nb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a wa n d 兀i b b e fi s v e r i f i e dt ob et h ek e yf a c t o ro fs u p p l y i n g g r a s ss y s t e m s e c o n d l 弘t h ef r i c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a wa n dr u b b e ri ss t u d i e d t h r o u g ha n a l y z i n gl o t so ft h ea c t u a lp r o b l e m sa n dc o m p a r i n gt h ec l a s s i c a lk u l u nl a wa n d m o d e lf r i c t i o nm e c h a n i s m ，t h ep a p e rd r a w st h ef r i c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e ns t r a wa n di m n ， s t r a wa n dr u b b e rt h a to f f e rt h e o r e t i c a lb a s e sf o ri h ef o l l o w i n gf r i c t j o nm e t h o d f i n a l l y ，t h em e a s u r i n gm e t h o do ff r i c t i o nf a c t o r b e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a wa n dn l b b e r i ss t u d i e d t h em e a s u r i n gm e t h o do fa u t o m a t i o na n dt h ei m p r o v e dt r a d i t i o n a lm e a s u f j n g m e t h o da r ed e s i g n e dt o a n a l y z ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a ld a t u mo ft h et w om e t h o d si nf j x e d q u a n t i t yt h f o u g ht h es p s ss o f t w a f e b yc o m p a r i n g ，t h em e a s u r j n gm e t h o do fa u t o m a t i o ni s s u p e r i o rt ot h ei m p r o v e dt r a d i t i o n a lo n e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef r i c t i o ne x p e “m e n tb e t w e e ns t r a wa n di r o n ，s t r a wa n dr u b b e ri n d e t a i l sa n dd r a w st h ec o e f f i c i e n to ff r j c t i o nt h a tw i l lb er e f e r e n c e db yt h ef u n h e rr e s e a r c h e r s a tt h es a m et i m c ，t h es i o w l ya d d i n gl o a ds y s t e ma n db r o k e np o w e r p a u s es y s t e mo ft h ef r i c t i o n t e s tw i l lb er e f e r e n c e di oe s i a b l i s hf r i c t i o nt e s ts e to fo l h e rm a t e r i a l s k e y w o r d s ：s u p p l y i n 哥擎a s ss y s t e m ；c o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ；f r i d i o n ；m e a s u r i n gm e t h o d 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 沙漠化已经严重地影响了我国乃至全世界的生态环境建设和社会经济发展，并造成了 极大的危害。世界各国人们通过对沙漠发生、发展规律的研究，结合各国、各地区不同 的实际情况，发明了大量的防沙、治沙技术。目前只有将生物治沙与工程治沙相结合， 才能高效彻底的治理沙漠，“草方格铺设机器人”，就是基于这种想法下而研制的，它能 够更经济、快速、有效的减缓沙漠化i l j 。 由于“草方格铺设机器人”正处于实验研究阶段，我们课题组在这三年中从设计到 样机关键技术的改进正在不断的探索和革新。本篇文章正是从优化“草方格铺设机器 人”供草输送系统的角度出发，探索草与铁、草与橡胶摩擦实验的研究方法【2 1 。 1 2 防止沙漠化方法及特点 如果不尽快地帮助增强地球的修复能力，特别是对沙漠化的治理，那么我们居住的 地球将面临“生态破产”。然而沙漠化造成的贫困和社会动荡，不仅仅是一个生态问 题，己飙升为经济、社会问题。为解决沙漠化的问题，长期以来各国学者、专家研究了 多种方法与沙漠化作斗争，目前主要有以下几种方法： ( 1 ) 生物治沙技术，又称植物治沙，是通过封育、营造植物等手段，达到防治沙 漠，稳定绿洲，提高沙区环境质量和生产潜力的一种技术措施。采用生物治沙技术，利 用植物固沙不仅起到防沙治沙的妙用，而且在改善生态环境，提高资源产出效益上有很 大的功效。 然而生物治沙技术见效周期长、投资大，且对于年平均风速大、频率较高的流动沙 地、沙丘地区很难采用生物治沙技术。即使是在年降雨量较大，生态自我恢复能力较强 的地区，由于流动沙地、沙丘的风沙对植被幼苗伤害极大，因此实施生物治沙时也必须 与其他治沙技术结合使用才能有好的效果。 f 2 ) 工程治沙技术，是指采用各种工程手段，防治风沙危害的技术体系。由于流沙 运动及造成的危害主要是由于风力作用所致，其形成、发展与风力的大小、方向有直接 关系。因而，工程治沙所采取的途径是对风沙的阻、输、导、固，从而达到减轻风沙作 用，防止风沙危害的目的。工程治沙技术方法有：铺设草方格，建立立体栅栏，设置各 种材料的网膜固沙技术，水拉沙等。 ( 3 ) 化学治沙技术，是指在风沙环境下，利用化学材料与工艺，对易于发生沙害的 沙丘或沙质地表建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层， 以达到控制和改善沙害环境，提高沙地生产力的技术措施。化学治沙技术包括：铺设高 分子化学材料、石油沥青制品治沙固沙技术；用化学制品增肥保水造林技术。化学治沙 东北林业大学坝士学位论文 技术在中东地区应用较多，但由于其成本高，原料缺乏，且其中的高分子化学成分不易 降解，影响直播种子的出苗率，同时还会使沙层地温增高，易发生烧苗，因而不适于大 面积推广使用 3 1 。 1 3 课题研究内容 我国2 1 世纪防沙治沙的基本方针是“预防为主，防治结合，综合治理”。通过对沙 漠化发生、发展规律与国内外防风固沙技术的研究。我们认为只有将工程治沙与生物治 沙相结合，才能高效地治理沙漠化问题。所以整个课题提出了铺设草沙障机械装备的研 究，经一系列调查、实验、设计、研究后开发出“铺设草沙障机械装备样机”。通过铺 设各种沙障，创造出适合生物植物生存要求的最低环境，然后进行生物植物治理，达到 事半功倍的效果。对于生态条件极脆弱地区穿越沙区的公路、铁路两侧区域流沙以及村 庄、农田、厂矿公共设备等周围区域流动沙丘的固定，尤其适用。 1 4 课题研究意义 该方法使用的材料取材广泛，效果显著，成本低廉，副作用小，且当沙障腐烂后会 增加土壤有机质含量，因此不仅适于大范围推广，而且有利于与植物治沙技术相结合使 用。因此，开展铺设草沙障机械装备的研究是当务之急。使用草沙障机械装备对流动沙 丘的快速治理、改善、修复人类的生存环境有着现实的意义。它不仅能带来生态效益， 同时还可创造出巨大的经济效益、社会效益。 智能型的高效多功能铺设沙障机械装备所带来的生态效益是显而易见的，只有使用 现代机械铺设方式取代人工铺设方式，方能达到固沙速度大于沙进速度，这样才能在人 沙的较量中占得主动，快速有效地减缓沙漠化的进程。另外，大力发展沙漠治理机械 化，才能使我国的治沙经验得到大面积的应用，加速沙漠逆转，彻底根除沙漠对人类的 危害，从而实现人进沙退，“再造一片秀美河山”的愿望。 我国目前沙障铺设均采用人工铺设，由于工作地点偏远，环境恶劣，每人每天平均 最多可铺设3 0 0 平方米左右( 以铺设l m xl m 半隐蔽式沙障为例) ，且受天气条件限制严 重，所以铺设效率很低。如果采用我们研制的机械设备进行作业，预计每台机组一班( 8 小时) 可修筑4 万平方米草沙障。以每年总作业时间2 0 0 天计算，扣除机器使用维修 费、折旧费、燃料费、驾驶员及辅助人员费用，完成同样的工作量，每年可节省费用 6 0 4 万元，提高工作效率1 7 0 倍，降低成本7 5 5 ，每台机组按1 0 年计算使用寿命， 为使用单位节省6 0 4 万元的投资。以包兰铁路的沙坡头地段铺设草沙障为例，铺设宽度 7 0 0 米( 一侧2 0 0 米，一侧5 0 0 米) ，4 0 公里长的草沙障，按1 0 0 人铺设，需铺设1 4 0 0 个 工作日，累计人工费2 8 0 多万。如果改用两台草沙障铺设机械完成同样的工作量，只需 6 人2 8 0 个工作日，可节省2 2 5 1 2 万元。在我国像包兰铁路这样需要定期铺设草沙障的 铁路、公路还有很多处。因此，草沙障铺设机械设备的市场潜力巨大，开发风险较小， 且可产生非常大的经济和社会效益。 1 绪论 目前，国外尚无此类机械。国内也仅有一处林机所科研机构研究出沙障修筑机械， 不过都存在着功能单一，效率低下，且无法调节铺设沙障的形状、尺寸及空隙度等问 题，所以无法得到推广。该类机械在国内市场基本处于空白，潜在市场广阔，因此急需 研制出一种智能型的高效多功能铺设沙障机械设备。我们课题组经过辛勤工作，用2 年 的时间试制了一台工作样机，这意味着在工程治沙方面开拓了广阔的前景【”。 1 5 论文研究内容 草方格铺设机器人共有以下几个部分组成：动力系统、控制系统、探测排障系统、 液压系统、气动系统、纵向铺设系统、横向铺设系统、供草输送系统及其他系统。本论 文主要研究的是通过对草方格铺设机器人供草输送系统分析，确定草与铁、草与橡胶的 摩擦系数检测方法【5 i 。 草方格铺设机器人是各种系统的有机融合，主体部分是供草系统。供草系统的优良 决定了草方格铺设机器人工作的可行与否，研究草方格的供草系统参数的意义不言而 喻。而确定供草系统的各项参数又都和草与铁、草与橡胶的摩擦系数有关，比如说：草 帘喂入口装置的胶辊与草的摩擦；草帘纵向输送轨道的草帘与铁的摩擦力；草帘横向输 送装置草和橡胶的摩擦力，草和输送带的摩擦力等，因此本文的研究是极其必要的。 本文旨在得出草与铁、草与橡胶的摩擦系数，对草与铁、草与橡胶之间的摩擦进行 了理论探讨和实验方法的研究，并用多元统计分析方法对所得的实验数据进行分析，以 验证草与铁、草与橡胶之间的摩擦理论和实验方法的可行性。本文设计了两种检测草与 铁、草与橡胶之间摩擦力的实验方法：种是自动控制式检测方法；一种是改良的传统 弹簧秤检测方法。并对两种方法的优良进行比较分析，得出自动控制式检测方法对草与 铁、草与橡胶摩擦力的测量更精确、更可靠。 本文应用了大量的数学原理，力学原理，和机械，自动控制等知识。其中使用了 a o t u c a d 、p r o e 、s o l i dw o r k s 等绘图软件，并用s p s s 多元统计分析软件，对草与 铁、橡胶摩擦系数进行分析。 本文主要从以下几个方面进行了研究与探讨： ( 1 1 草方格机器人样机的调查研究。通过对方法，作业项目的调查和分析，对草方 格机器人样机的供草系统的性能，存在的问题等作了系统的调查。 ( 2 ) 草与铁、草与橡胶摩擦机理的研究。通过分析草方格机器人样机的实际工作， 及对古典的库仑定律和现代摩擦机理的分析得出草与铁、橡胶摩擦机理，为接下来制定 摩擦实验方法提供了依据。 ( 3 ) 草与铁、橡胶摩擦实验方法的研究。针对草方格铺设机器人草帘与铁，草帘与 橡胶接触面的摩擦要求，设计出计算机自动控制的测量方法，并用实例与传统的测量方 法进行比较，用s p s s 软件进行定量的分析。实验装置主要模块有：计算机数据分析模 块，电机渐进加载模块和电机断电急停模块。 东北林业大学硕士学位论文 1 6 本章小节 ( 1 ) 介绍了这篇论文撰写的初衷，它是“防风固沙草方格铺设机器人”课题的一部 分，因此研究是必要的； ( 2 ) 通过对沙漠化状况的描述，说明了工程治沙是治沙的重要方法，进一步说明课 题研究的必要性、亟待性； ( 3 ) 对本篇论文要研究的内容作了简单交待。 2 供草输送系统性能的调查研究 2 供草输送系统性能的调查研究 草方格铺设机器人共有以下几个部分组成：动力系统、控制系统、探测排障系统、 液压系统、气动系统、纵向铺设系统、横向铺设系统、供草输送系统等。草方格铺设机 器人是各种系统的有机融合，主体部分是供草系统，供草系统的优良决定了草方格铺设 机器人工作的可行与否。研究革方格的供草系统参数的意义不言而喻。 构成草方格机器人的供草输送系统的部分有：横向供草输送系统和纵向供草输送系 统。其中横向供草输送系统又包括草辊输送器，草帘喂入口装置，草帘纵向输送轨道， 草帘输出口装置，草帘横向输送装置，草帘剪切装置，横向插草装置。纵向供草输送系 统又包括草辊输送器，导草装置，草帘纵向输送轨道，纵向插草装置。在明确了各个部 分的作用和相互关系之后，为提高草方格机器人的供草输送系统性能，分析了是否有进 行某些改进的必要。特别是在草方格机器人的横向供草输送系统上，为了排除草辊输送 器的传动动力不足以及传动链条易断和横向供草输送系统的草帘纵向输送轨道的不通畅 等问题，有设计改进的必要。本研究的目的是寻求设计高性能草方格机器人的供草输送 系统基准资料，因而是把实验研究和理论设计作为主体。通过对各种关键问题进行广泛 的探讨取得了进一步改进草方格机器人的供草输送系统的试制资料【6 j 。 2 1 横向供草输送系统的性能的实验研究 如图2 一l 所示，横向供草输送系统包括草辊输送器，草帘喂入口装置，草帘纵向输 送轨道，草帘输出口装置，草帘横向输送装置，草帘剪切装置，横向插草装置。 o 卜草辊输送器；2 一草帘喂入口装置；3 - 草帘纵向输送轨道； 4 一草帘横向输送装置：5 一草帘剪切装置；6 一横向插草装置 图2 1 横向供草输送系统 东北林业大学硕士学位论文 ( 1 ) 草辊输送器是由草辊架构( 是由两排架构通过销子连接) 、草辊、草辊滑道、草 辊架构滑道、发动机、链条齿轮传送机构、链条松紧装置等组成，它的作用是承载草辊 并实现换辊功能。当第一排草辊的草用完时，可以实现备用草辊换草。 ( 2 ) 草帘喂入口装置是由三组机构相同的草帘喂入口组成，每组草帘喂入口有4 个 胶辊，整体喂入装置是由胶辊、步进电机、链条齿轮、胶辊张紧构件共同组成。它的功 能是把草辊上的草帘引入到草帘纵向输送轨道，同时它具有可调节夹持松紧的作用。 ( 3 ) 草帘纵向输送轨道是由三组导轨组成，每组导轨是由2 m m 厚的铁皮全封闭包裹 而成，导轨的形状是幂指函数曲线。它的功能是把草帘上喂入口输送来的草帘引入到草 帘下喂出口胶辊处，同时它具有储存少量草帘防止草帘因上下胶辊拉力而拉断的作用。 ( 4 ) 草帘横向输送装置是由草帘输出口，草帘横向输送带，步进电机，链条齿轮， 胶辊张紧构件组成。其中有4 对胶辊，由于草帘横向输送装置是靠输送带进行传动，4 对胶辊的胶型又不相同。它的功能是是把轨道中的草帘通过草帘输出口喂入横向输送 带，输送带将草帘输送到插刀位置准备插草。 ( 5 ) 草帘剪切装置是由气缸，剪草刀，滑道组成。它的功能是把草帘输出口输出的 草帘在规定的时间0 0 1 内瞬间剪断。 ( 6 ) 横向插草装置是由三组机构相同装置组成，每组装置又有气缸、连杆、插刀导 筒共同组成。它的功能是把横向输送来的草帘每隔1 秒插入沙中，完成横向插草。 横向供草输送系统的工作流程是首先由人工把草辊的草帘头喂入喂草口，通过喂草 口胶辊的转动带动草辊转动实现自动喂草，草帘通过导草轨进入草帘输出口后，实现了 横向供草，割草刀瞬间割断草帘，把草帘割成每段8 0 厘米的草带，最后通过横向插刀 把切好的草带插入沙中，完成横向插草 7 】。 2 1 1 草帘喂入口装置的调查研究 喂入口装置的工作原理如图2 2 所示。 图2 2 草帘喂入口装置 草帘喂入口装嚣是由三组机构相同的胶辊组成，每组草帘喂入口有4 个胶辊，整体 2 供草输送系统性能的调查研究 喂入装置是由胶辊、步进电机、链条齿轮、胶辊张紧构件共同组成。它的功能是把草辊 上的草帘引入到草帘纵向输送轨道，同时它具有可调节夹持松紧的作用。 工作时步进电机通过链条带动主动齿轮，主动齿轮又带动从动齿轮，使4 个胶辊对 方向转动，当草帘进入喂入口时胶辊张紧构件可以对不均匀厚度草帘调节胶辊的距离， 从而实现喂入e l 对草帘的夹持喂入，喂入口对草帘的夹持力又带动草辊转动，实现了草 方格铺设机器人的连续供草【8 】。 需要的实验与理论校正参数有：步进电机的最大起动力，张紧构件弹簧的选择，链 条齿轮的传动比，草帘与摩擦胶辊的摩擦力。 所有的参数根据设计需要，结合机械知识可以求出，而草帘与摩擦胶辊的摩擦系数 需要进一步的实验测出。 2 1 2 草帘纵向输送导轨的调查研究 草帘纵向输送轨道是由三组导轨组成，每组导轨是由2 m m 厚的铁皮全封闭包裹而 成，导轨的形状是幂质函数曲线。它的功能是把草帘上喂入口输送来的草帘引入到草 帘下喂出口胶辊处，同时它具有储存少量的草帘防止草帘因上下胶辊拉力而拉断的作 用。 工作时，当草帘通过喂入v i 引导进入草帘输送轨道，草帘由自身重力的作用沿轨道 的轨迹输送，当草帘从轨道口输出时可以顺利的进入草帘的横向输出i ：1 从而实现草帘的 有序输送【9 j o 需要的实验与理论校正参数为：稻草与铁轨的摩擦系数，导轨的弯曲曲线，最大蓄 草量和防拉断缓冲时间。 所有的参数可以根据设计需要，结合机械知识求出，而稻草与铁轨的摩擦系数需要 进一步的实验测出。 2 1 3 草帘横向输送装置的调查研究 草帘横向输送装置如图2 3 所示 图2 - 3 草帘横向输送装置俯视图 草帘输出口装置是由草帘输出口，草帘横向输送带，步进电机，链条齿轮，胶辊张 紧构件组成。其中有4 对胶辊，1 、2 、3 对胶辊为草帘输出口，由于草帘横向输送装置 东北林业大学硕士学位论文 是靠输送带进行传动，4 对胶辊的胶型又不相同如图2 - 4 和图2 - 5 所示。它的功能是把 轨道中草帘通过草帘输出口喂入横向输送带，输送带将草帘输送到插刀位置准备插草 1 0j o 图2 4 草帘输出辊1 幽2 - 5 草帘输出辊2 工作时步进电机通过链条齿轮带动第四对胶辊转动，使4 对胶辊对方向转动，当草 帘进入输出口时胶辊张紧构件可以根据草帘厚度不同调节胶辊的距离，从而实现输出口 对草帘的夹持输出到输送带。当输送带输送草帘到达临近的胶辊时，也就是相邻两对草 辊问时，插刀和剪刀同时作用，剪刀把草帘割断，插刀把割断的草帘插入沙中【1 1 】。 需要的实验与理论校正参数为：草帘与输送带的附着系数，步进电机的最大起动 力、输出速度和输出功率的比值，张紧构件弹簧的参数，输送带的参数。 通过不同的步进电机或通过步进电机的输出速度和功率来验证喂入辊的转动速度多 少是合适的，可以通过无草和有草两种实验方式测定同步电机的输出速度和输出功率， 进一步修正理论值【幢。钔。 2 2 本章小结 ( 1 ) 对草方格铺设机器人横向供草输送系统性能的调查研究，把横行供草系统划分 为几个部分，分析了大部分系统与草与铁、橡胶的摩擦力有关： ( 2 ) 对各系统作了简单的介绍，说明其功能，分析了所需的参数系统； ( 3 ) 用实际分析结果指出对草与铁、草与橡胶摩擦力的研究在草方格铺设机器人供 草输送参数系统的研究的重要性。 3 草与铁、橡胶摩擦原理的分析 3 草与铁、橡胶摩擦原理的分析 3 1 摩擦机理研究的现状 3 1 1 摩擦学国内外发展动态 摩擦学的研究有着古老的历史，在古老的中国、埃及和罗马，都曾有着摩擦学原理 应用的光辉历史。但是其发展都极为缓慢，到了十五世纪，k o n a r d od a n c i 才第一个 对摩擦学提出了科学的论断：即摩擦力与载荷成正比；与名义接触面积无关。a m o n t o n 于1 6 9 9 年也提出了这两条定律。约在1 7 8 0 年c o u l o m b 提出了第三摩擦定率即摩擦力与 速度无关。这三条定律作为公理一直沿用到今天。而对润滑及其理论的认识和完善，则 是在1 8 8 3 年b e a u c h a m pt o w e r 做了试验研究和1 8 8 6 年o s b o m cr e y n o l d s 做了理论解释 之后。巴德罗夫( b a p o b ) 1 8 8 3 年提出了第一个完全流体润滑摩擦力的表达式如下： ，1 ，、 f = l 叩。4 ( 3 - 1 ) l 九n v 式中： r l 流体粘度： v 轴的线速度； h 。平均有效油膜厚度； a 。润滑面积。 1 8 8 6 年雷诺( r e y n 0 1 d s ) 以其著名的雷诺方程奠定了流体润滑的数学基础，其基本试 验工作直到2 0 世纪3 0 年代才由斯特里拜克( s t r j t b e c k ) 完成。通过试验详细研究了各种工 作参数( 如载荷和速度) 对润滑、滚动和滑动摩擦的影响。应用雷诺方程的试验结果，当 时就出现了动压轴承的工业设计。为了解释非流体润滑或单分子层润滑状态下滑动表面 的润滑问题，1 9 2 2 年哈迪f h a r d v ) 提出了边界润滑的理论，为了提高油膜的承载能力和 对工况的适应能力，相继开展了各种化学添加剂的研究和开发工作。 近年来，随着工业生产及科学技术的进步，摩擦学研究取得了很大发展，不仅解 决了各种工业生产部门提出的摩擦、磨损和润滑的实际问题，而且在理论研究方面也取 得了很大成果。在阐明摩擦理论方面提出了各种理论，如机械理论、分子吸引理论、粘 着理论、分子一机械理论等。在解释磨损起因方面有粘着理论、表面疲劳理论、密粒磨 损理论等；在润滑方面有流体动压润滑理论、流体静压润滑理论以及弹性流体动压润滑 理论。 现代工业的发展对摩擦学提出了更高的要求，也促进了该学科的深入研究与发 展，尤其是近几十年来，自英国1 9 6 6 年h p e t e rj o s t 报告发表以后，在全世界引起了 研究摩擦学的热潮，其原因已在摩擦学的重要性一节中作了说明，以下介绍一些近年来 国内外研究动态。 东北林业大学硕士学位论文 3 1 1 1 国外研究动态 ( 1 ) 摩擦磨损机理的基础研究。这方面研究的主要特点是从宏观到微观，着重于表 面的和介质的微观分析，次表面层结构和应力的分析以及从系统工程角度提出新的摩擦 磨损理论。 在现有理论基础上，近年来又先后出现了磨损剥层理论，表面材料迁移理论以及摩 损能量理论等。其中，特别是1 9 7 3 年由美籍南朝鲜人n 口c u n 提出的磨损剥层理 论，从次表面层的结构和应力方面分析了滑动磨损的基本机理，很好地解释了固体材料 的磨损现象。 ( 2 ) 流体润滑的研究。这方面研究的主要特点是从静态到动态、从定性到定量、从 理沦到实际应用，研究的方面也比较广，大体包括以下几个方面。 对弹性流体动力润滑的研究。主要是从整体到局部，解决边界润滑状态的局部 弹流问题和粗糙表面的微弹流理论与计算；在弹流计算中，进一步考虑惯性、紊流、热 效应及弹性变形等；近几年又发展起对润滑脂弹流及非牛顿流体弹流的研究； 提高计算速度和精度的研究。其一是对雷诺方程求解方案的研究，旨在提高计 算速度。通常，雷诺方程的求解包括以下3 个过程：由油膜形状，通过积分雷诺方程得 到压力分布( 顺解) ；由压力分布，通过雷诺方程求油腹形状( 逆解) ；由压力分布，通过 积分弹性变形求油膜形状。其计算方框图如图3 1 ： 图31 雷诺方程求解方案流程图 其二是具体计算方法的研究，主要是应用有限元、有限差分以及c a d ，以达到提 高计算精度的目的； 技术应用研究。主要包括新型结构和特殊用途轴承的设计应用，改善动态特性 和可靠性的研究，静压轴承的应用与发展以及为节能所采用的高低速时由静压转为动压 的润滑方式的研究； ( 3 ) 润滑材料的研制。对润滑油及润滑脂，主要是一些高效添加剂的研究，可有效 3 草与铁、橡胶摩擦原理的分析 地提高基础油抗氧化、抗腐蚀及耐高压的性能，日本、特别是美国都有较突出的发展， 大大提高了摩擦副的使用寿命。近几年来，发展特别迅速的是固体润滑材料，如高强度 无机陶瓷自润滑材料；塑料基四氟乙烯等自润滑材料。与油脂润滑材料相溶的固体涂层 和固体膜，已被广泛的应用到各个领域，因而，做为一种新的学科表面涂镀技术与 设备有了更进一步的发展，真空、物理及化学气相沉积、涂敷、刷镀、离子喷镀及原子 溅射等工艺制备的润滑膜有效地提高了摩擦表面的耐磨性。 ( 试验测试技术与工况监控。当前，由于摩擦学向原子级微观发展，国外已开始大 量使用现代电子仪表进行试验与检测工作，如各种光谱、能谱仪，扫描电镜、原子探针 及铁谱仪等；很多仪器已做到可在动态时进行观察测定。国外已经利用噪声与振动，利 用润滑介质中磨粒的属性、数量及尺寸进行工况监测，从而预报机器故障的出现与否， 以有效地控制机器的运用状态【l 。 3 1 1 2 国内研究动态 我国对现代摩擦学的研究和应用，可以说是刚刚起步，目前，虽然某些领域有了一 定成绩但基本上是零散的、不成体系，主要工作如下： ( 1 ) 在摩擦摩损机理方面我国基本上处于吸收消化阶段，还谈不上独立的研究。 ( 2 ) 在流体润滑方面进行了一些理论与测试的研究取得了一定的成绩。如考虑压 粘、温粘效应、弹性及热变形条件下雷诺方程的解；对非牛顿流体弹流的研究利用先进 的动态结构分析仪，对滑动轴承动态特性进行的试验，滑动轴承温度场计算以及非纯净 介质时润滑状态的可靠性计算等，都获得了一定的成绩，有些还比较先进。 ( 3 ) 存有限元、差分及c a d 等计算方面，己涉猎较深，尤其是滑动轴承、缸套与 活塞环及k ，e 等弹流计算方面，建立了一些计算程序，在齿轮胶合计算中提出了新的计 算公式及优选设计参数的曲线封闭图，对齿面三维非稳态时湿度场的计算也出现了可喜 的成绩。 ( 4 ) 在润滑材料方面对琉、磷、氯及其他活性基的添加剂的研究和应用进行了大量 的开发。对固体润滑材料也进行了大量研究，为提高耐磨性，对复合材料及表面涂镀技 术进行的研究也取得显著的成绩。 ( 5 ) 与国外相比，我国摩擦学试验设备和测试技术尚不够先进，但在工况监控方 面，我国紧跟世界形势，发展较快。尤其是利用铁谱技术对工况的分析与监控研究方 面，我国不仅能自己生产铁谱仪，而且在应用方面也取得了明显成绩。其他如利用振动 及噪音对工况的监控研究目前也正处于发展中“i ”1 。 3 2 草与铁及橡胶摩擦机理 3 _ 2 - 1 草与铁及橡胶摩擦的基本定义 ( 1 ) 草与铁及橡胶摩擦属于固体摩擦。固体的摩擦实质上是在接触界面上发生的机 械运动转化为分子运动，机械能转化为热能的物理现象。正如思格斯所况：“现在我们 知道，摩擦与碰撞乃是动能转化为分子能热能的两种形式。因此，每当发生摩擦时 东北林业大学硕士学位论文 动能的消失，并不是作为动力学意义下的位能，而是作为分子运动，即一定形态的热能 重新出现。” ( 2 ) 按照摩擦表面的润滑状况，草与铁、橡胶摩擦属于干摩擦。通常，这种摩擦是 指在摩擦表面上没有任何润滑剂，但可能存在自然污染膜的一种摩擦，如开式齿轮传动 及各种干式摩擦离合器在挂合或摘开过程中产生的摩擦，钻井绞车刹车过程中刹车块与 刹车毂表面之间的摩擦。但是严格地说，只有在没有任何污染的纯净表面上才会出现名 符其实的干摩擦。 ( 3 ) 草与铁、橡胶摩擦按摩擦副的运动状态分： 静摩擦两个物体作宏观位移前的微观位移时； 动摩擦_ 两个物体作相对运动时的摩擦。 ( 4 1 按摩擦副的运动形式分： 滑动摩擦接触表面相对滑动或有相对滑动趋势时的摩擦； 滚动摩擦物体在力矩作用下沿接触表面滚动时的摩擦。 3 2 2 确定草与铁及橡胶摩擦的摩擦原理 ( 1 ) 对古典摩擦定律的讨论。 第一定律：摩擦力的方向与接触表面相对运动速度的方向相反，其大小与接触物体 问的法向压力成正比，即 ，i w ( 3 2 ) 第二定律：摩擦力的大小与相互接触物体间的名义接触面积无关： 第三定律：摩擦力的大小取决于材料性质，与滑动速度无关。 实践证明，上述定律虽能近似地用于工程实际，但有很大局限性和不确切性。 在第一定律中，摩擦系数，对一定材料是一个常数，但试验表明，各种材料在不 同环境条件下的摩擦系数都是变化的，如硬钢表面对硬钢表面在正常大气条件下，约 为o 6 ，但在真空中可高达2 ；石墨在正常大气条件下摩棕系数，为0 1 ，但在很干燥的 空气中可大于o 5 。可见，并不是一个常数，而是随条件变化而变化的。 对于极硬材料如钻石或很软材料如聚四氟乙烯( p t f e ) 等，当压力很大时，摩擦力并 不与法向载荷成正比，为非线性关系： f = c 。 ( 3 3 ) 式中： c 一常数； x 指数，其值约为0 6 1 。 第二定律只适用于具有一定屈服极限的材料( 如金属材料) ，不适用于弹性材料与粘 弹性材料。对于很光洁的硬表面，由于接触表面间分子引力起作用，摩擦力也将随接触 面积增大而增大。 第三定律对于大多数材料来说，不符合实际。实践表明，多数材料随着滑动速度的 3 草与铁、豫雌摩擦腺理龆分析 增加，摩擦系数会降低，且两者之间的关系随所受载荷的大小而发生变化。 总之，古典摩擦定律尚不能准确、全面地解释滑动摩擦的各种现象，也就是说不能 准确、全面地解释草与铁、橡胶之间地滑动摩擦现象。实践表明，影响摩擦力大小的因 素比摩擦三定律所描述的要复杂得多。 ( 2 ) 其他摩擦理论概述与草与铁、橡胶之间摩擦理论地关系。 机械互锁学说：f i 摩擦学地基础公式，本文所研究地草与铁、橡胶之间地摩擦就是基于此公式展开 的。 分子吸引理论 f = f ( n + a r p m ) 式中： p m 一单位实际接触面积上的分子力： a 广实际接触面积。 分子吸引理论多用于微观摩擦表面观测和磨损想象 副之间地摩擦力，不探讨分子之间的吸引。 摩擦的粘着和犁沟理论 小时阿 ( 3 4 ) 本文主要探讨是宏观地两摩擦 ( 3 5 ) 式中： 较软材料的剪切强度极限； 口。材料接触时的抗压屈服极限。 粘着和犁沟理论是研究磨损的主流理论，对磨损有着定量的分析，本文不考虑磨损 所以也不适用于本文。 摩擦的分子一一机械理论。 摩擦的能量理论。 第一种看法认为：在分析材料的滑动过程中 程，而且还受到表面的吸引力的影响。 ，= 卅+ 警1 式中： l 粘着点的剪切强度： h 软材料的硬度； 睨。粘着表面的能量： r 粘着点的平均半径： 口微凸体与水平面的倾斜角。 粘结点的尺寸不仅取决于塑性变形过 ( 3 6 ) 东北林业大学硕士学位论文 第二种看法认为：在摩擦过程中，会出现一些与能量消耗有关的现象，如弹性和塑 眭变形、发光、辐射、振动及噪声等，要用能量平衡理论才能解释。 图32 摩擦机械系统黑箱示意图 能量理论是当今摩擦研究的热门理论，其发展方向代表着摩擦学的发展方向，本文 试着从能量理论探讨草与铁、橡胶的摩擦关系。 ( 3 1 摩擦力的二项式公式【1 9 】。 由上述可知，摩擦力是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力之和： f = f f + f | = 1 f a f + tj a i t 3 1 1 式中： r ，单位面积分子作用力； 爿，分子作用的实际接触面积； f 单位面积机械作用力： 爿机械作用的实际接触面积。 总的实际接触面积： 4 = 爿r + 爿 当分子作用面积与机械作用面积之间的比率恒定时 用力的有关因素，则式( 1 ) 可改写为： f = ( a + 卢q ) 4 式中： a 与表面分子特性有关的参数； 口与表面机械特性有关的参数。 因q 一4 故最后得出： f = a a ，+ 8 w ( 3 8 ) 有4 一州，再考虑到影响作 ( 3 9 ) ( 3 一l o ) r ；堕+ 卢。 矽 ( 3 一1 1 ) 式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 就是表示摩擦力的二项式公式，亦即摩擦总定律，它既考虑了 机械作用，又注意了分子作用。摩擦力通过实际接触面积表示很不方便，因此可通过其 它参数来表示实际接触面积。根据实验研究，实际接触面积的大小与载荷、材料的机械 性质、表面租糙度、物体的大小有关。 对于塑性材料，其实际接触面积为 4 ：里( 3 1 2 ) o r 式中： 盯，塑性屈服压力。 对于弹性体，4 的大小不仅与材料机械性质有关， 关。例如对于球面与平面接触，按高斯公式： 爿，昌c 1 ，2 门2 培 对于圆柱体与平面接触，按高斯公式： 爿一。巴，1 “缈1 7 2 对于两个平面接触可得出下面近似公式： 而且与物体表面的几何形貌有 式中： 爿，计算接触面积一般为名义接触面积； r 粗糙度凸峰的半径； 附一法向载荷； c 材料的弹性模量； 爿* 粗糙度均方差： c 1 ，c 2 ，c 3 常数。 代入实际接触面积公式，可得 塑性接触时 f ：a 4 + 卢：坐+ 卢：f 竺+ 卢1 肜； 仃 i 盯j 弹性接触时 ，一肌小肌叫餐】 ( 3 一1 3 ) ( 3 一1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 一1 6 ) ( 3 1 7 ) 爰 4 东北林业大学顾 一学位论文 ，= + a ( 南) 1 2 ( 3 一1 8 ) 在弹性接触时，摩擦系数与材料租糙度尺出、法向载荷肌不平度的几何特性、表 面计算面积爿，有关。其关系如图3 3 所示由图可以看出，表面计算面积增加，摩擦 系数增大，增加法向载荷、提高弹性模量、降低租糙度，都会使摩擦系数减小。 总的说来，分子机械摩擦理论考虑的因素较多，比较符合实验的结果。对于干 摩擦和边界摩擦时，对于金属、聚合物、碳氢化合物等大多数材料都可按二项式摩擦定 律分析。摩擦力的二项式公式对于草于铁、橡胶的摩擦有着重要的理论基础。首先草与 铁、橡胶之间的摩擦属于干摩擦和边界摩擦，摩擦力的二项式公式所阐述的内容与之相 关，虽然本文不探讨分子之间的作用力，但对于微观的环境，摩擦力的二项式公式是可 以进一步探讨草于铁、橡胶的摩擦表面的形态和机理的。这样的摩擦研究有待于实际的 需要和理论的深入。 幽3 3 雄擦系数，硐f 、r t 、爿，的关系 f 4 ) 影响摩擦的因素。影响摩擦的因数很多，摩擦副材料的性质、环境气氛、静止 接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度状况、摩擦表面接触几何 特性和表面层物理性质，以及介质的化学作用等【2 。但考虑到草与铁、橡胶之间的摩擦 与摩擦副材料的性质、环境气氛、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质关系密切， 而与静止接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度状况、及介质的 化学作用之间的关系较小。所阱对影响因素可简化处理。 捷克斯洛伐克航空研究试验学院的d o l e z a lz 在1 9 8 9 年发表的文章中指出：在振动 黏合滑动态的实际干摩擦力f 是取决于滑动速度x ，其关系式为： ，= 巨篓， 当x 0 当工= 0( 3 1 9 ) 当z | 州 图4 1 倾斜法图4 2 牵引法 本文对设计改良的传统的弹簧秤测量方法运用的测试方法是牵引法。 ( 2 ) 动摩擦系数仉的测量。动摩擦系数“的测量一般有机械式和电测式两种方法。 机械式一般都是通过杠杆砝码机构来平衡摩擦力产生的摩擦力矩，并由此推算出摩